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            解決方案

            過電壓保護器-防止架空絕緣電纜雷擊斷線的實用技術

            添加時間:2015-06-16 08:47:15  瀏覽次數: 次  :

             摘要 本文提出一種防止配電線路架空絕緣電纜雷擊斷線的實用技術和裝置,可有效地防止架空絕緣電纜雷擊斷線、絕緣子損壞等事故。該裝置結構簡單、安裝方便。

            1、引言
                城市配電網絡大量采用架空絕緣電纜線路,全國關于運行中的線路發生雷擊斷線和絕緣子擊穿事故的統計數量呈急劇上升趨勢。試驗研究和實際事故原因分析證實:架空絕緣電纜線路雷電過電壓閃絡時,瞬間電弧電流很大但時間很短,僅在架空絕緣電纜絕緣層上形成擊穿孔,不會燒斷導線。但是,當雷電過電壓閃絡,特別是在兩相或三相(不一定是在同一電桿上)之間閃絡而形成金屬性短路通道,引起數千安培工頻續流,電弧能量將驟增。此時,由于架空絕緣電纜絕緣層阻礙電弧在其表面滑移,高溫弧根被固定在絕緣層的擊穿點而在斷路器動作之前燒斷導線。

                對于裸導線,電弧在電磁力的作用下,高溫弧根沿導線表面滑移,并在工頻續流燒斷導線或損壞絕緣子之前引起斷路器動作,切斷電弧。因此,裸導線的斷線故障率明顯低于架空絕緣電纜。

                國家電力公司發輸電輸[2001] 7號文件《城市電網架空絕緣導線應用研討會紀要》中特別指出:宜使用架空絕緣線路過電壓保護器來防止架空絕緣電纜雷擊斷線事故。

                本文借鑒國內外新技術,提出一種的架空絕緣電纜過電壓保護實用技術和裝置,命名為架空絕緣線路過電壓保護器。試驗和實際運行考核證實:該技術和裝置具有保護特性好、安裝方便、免維護的特點,使用效果良好。圖1所示實際運行現場。


            圖 1 實際運行現場
             
            技術參數


            圖2 保護器結構示意圖
             
            架空絕緣線路過電壓保護器由限流元件1串聯不銹鋼引流環2,并與架空絕緣電纜3之間構成的間隙4組成, 結構圖如圖2所示,實物如圖3所示。

            圖3 保護器實物圖

            該保護器的設計思想如下:

            2.1限流元件的額定電壓
            限流元件用于截斷工頻續流,因而必須認真考慮在工頻過電壓下流過限流元件的電流。對于10kV系統,工頻過電壓一般不超過1.1√3p.u.。我們把10kV系統用的保護器額定電壓定為12.7kV,限流元件直流1mA參考電壓應大于18kV[3]。這樣在13.2kV工頻過電壓作用下,如果忽略串聯間隙對于工頻續流的影響,理論上流過避雷器的工頻續流為0.1A,計算結果表明限流元件完全能夠很好地切斷工頻續流。由于串聯間隙對小電流具有很好的切斷作用,因而流過限流元件的工頻續流必然大大的低于0.1A。

            2.3限流元通流能力估算
            按照DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》推薦,我國一般地區雷電流幅值超過I的概率為P=10(-I/88)。雷電流可能達到的幅值與地域、時間跨度相關。從產品的雷擊損壞事故來看,地域范圍并不重要,可以忽略不計;至于時間跨度,應該考慮產品預期壽命周期,20年是一個大家可以接受的時間。按DL/T 620-1997的推薦,對于雷暴日Td=40的地區,每100km、每年的雷擊次數NL=0.28×4h(h為架空線的平均高度,m,10kV線路h=10m),則雷電流幅值超過I的雷擊次數N1=1.12h×10(-I/88),時間跨度20年、每100km的雷擊次數為N2=224×10(-I/88),以基桿間距為50m計算,則每基桿、20年的時間跨度雷電過電壓超過U的次數為N=0.112×10(-I/88)。由此可以計算,10000基桿、20年的時間內,雷電流超過200kA的次數為6次,考慮到配電線路一般位于市區,周圍有高大的建筑物和樹木的屏蔽作用,可能的雷擊次數一定大大小于6次,但從嚴考慮仍以6次計。
            雖然感應雷電流幅值為200kA,但流過保護器的雷電流極少,按規程選擇接地電阻30Ω,使用EMTP暫態計算程序,模擬計算結果為流過保護器的雷電流幅值不超過16kA。我們選用D3閥片,它能承受2次65kA的大電流沖擊,若設計目標僅考慮200kA及以下的安全性,那么每基桿都安裝保護器、20年內,保護器的雷擊損壞率約為6/10000,其安全裕度是很大的。若每間隔一基桿安裝一組保護器,則保護器的雷擊損壞率為1.2‰。而每間隔四基桿安裝一組保護器,則保護器的雷擊損壞率為2.4‰。為保證保護器的安全運行,因而建議對人口密集地區或雷電易擊區,每基桿安裝一組保護器,這樣20年內雷擊損壞率為6/10000,而對于一般地區,則每隔3-5基桿安裝一組保護器,則20年內雷擊損壞率約為3‰。
            同樣根據計算[4],10基桿之外雷電過電壓通過保護器的電流已經非常小,其影響可以不計,因而保護器不能每間隔10基桿安裝一組保護器,這樣不但10基桿之外的雷電過電壓不能消除,而且保護器的雷擊損壞率為1.2%,雷擊損壞率太大。

            2.3串聯間隙
            保護器的串聯間隙距離關系到保護器的保護特性,要求滿足:
            (1)在雷電過電壓作用下通過與絕緣子的合理配合,串聯間隙應可靠動作,保證絕緣子不閃絡;
            (2)能夠可靠耐受最大工頻過電壓而串聯間隙不擊穿;
            (3)即使在污穢、安裝偏置的情況下不明顯改變間隙的放電特性。
            從滿足雷電過電壓作用下串聯間隙應可靠動作的要求來看,串聯間隙的距離越小越好,這樣在雷電沖擊下發生被保護絕緣子閃絡而串聯間隙不放電、保護失敗的可能性越小。但是與(2)的要求相矛盾,因而間隙不是越小越好。若以絕緣子閃絡率不超過5/100000為依據,按國標規定雷電沖擊相對標準偏差0.03進行推算,要保證絕緣子閃絡率要求,雷電過電壓應小于0.88倍絕緣子50%雷電沖擊閃絡電壓,同理要保證保護器不動作概率小于5/100000,那么保護器串聯間隙50%雷電沖擊閃絡電壓應小于0.88倍的雷電過電壓。由此可知要保證保護器可靠動作而絕緣子不閃絡,要求絕緣子50%雷電沖擊閃絡電壓至少要比串聯間隙50%雷電沖擊閃絡電壓高出25.6%以上,即絕緣配合系數應為1.256,這一絕緣配合系數與前蘇聯的絕緣配合系數一致 [5]。
            從能夠可靠耐受最大工頻過電壓而串聯間隙不擊穿這一點來看,串聯間隙應足夠大,但這又與(1)相矛盾。以10kV為例,串聯間隙應可靠耐受1.1√3p.u.,即13.2kV,它必須考慮各種不利的氣候條件,如雨、霧、冰等,按照上面所述,絕緣配合系數必須大于1.256,再考慮海拔高度的影響,以海拔1km作為參考,應增加10%,即絕緣配合系數為1.38。
            至于污穢、安裝偏置,在各種可能的情況下經多次試驗得到如下結論:在一定的串聯間隙,引流環與絕緣子間平均相距25mm下,污穢、安裝偏置對放電特性沒有太大的影響,可以不予考慮。

            2.4操作過電壓對保護器的影響
            保護器在投入使用過程中,不可避免地要受到操作過電壓的影響。對于10kV系統,最嚴重的情況是開斷前系統已有單相接地故障,使用一般斷路器操作時產生的過電壓可能超過4.0 p.u.,即39kV。也就是說,在最大操作過電壓39kV下,串聯間隙不能被擊穿,保護器不應動作。

            在考慮以上要求之后,對于PQ2絕緣子保護器技術指標與保護性能如下表:
            表1 保護器技術指標
            額定電壓
            (kV)
            2mS方波電流(A) 標稱放電電流下殘壓(峰值,kV) 直流參考電壓(kV)
            12.7 ≤150 ≤36 18

            表2 保護器技術指標與保護性能

            串聯間隙 mm 工頻放電電壓(有效值,kV) 波前沖擊放電電壓(峰值,kV) 1.2/50μs沖擊放電電壓(峰值,kV)
            100±5 ≥50 ≤200 ≤110

            3 過電壓保護器保護效果
            通過對300支、七個易遭雷擊斷線地區試用保護器實際使用效果的跟蹤,使用保護器后沒有發生一起雷擊斷線事故。這足以說明架空絕緣線路過電壓保護器保護效果良好,現在許多地區開始大批量地使用。

            4 結論
            5.1該保護器可以有效防止架空絕緣電纜雷擊斷線事故,并且安裝方便,20年內,保護器的雷擊損壞率為6/10000。
            5.2保護器的串聯間隙的確定不僅要考慮串聯間隙與絕緣子50%的雷電沖擊閃絡電壓的配合,而且要考慮工頻過電壓、操作過電壓對保護器的影響。因而對不同的絕緣子保護器的串聯間隙可能是不同的,以確保保護器的保護特性。
            5.3保護器限流元件閥片直徑的選擇要通過對流過保護器限流元件的雷電流幅值及限流元件吸收雷電流能量進行仔細的校核進行確定。對于10kV系統,在每一基桿安裝一組保護器,要求電桿接地電阻小于30Ω。

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            冀公網安備 13065202000364號

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